JP4305194B2 - 内燃機関の排気空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気空燃比制御装置に関する。

特許文献１に、圧縮着火式の内燃機関が開示されている。また、この内燃機関は、排気通路に触媒を具備している。この触媒は、内燃機関から排出される排気ガス中の未燃炭化水素を酸化する機能を有するが、排気ガス中の硫黄酸化物（ＳＯｘ）を吸着させる機能も有する。

ところが、触媒に吸着したＳＯｘは、触媒に流入する排気ガスの空燃比がリーンであって且つ触媒の温度が一定温度以上となると、白煙として触媒から流出してしまう。このことを避けるために、特許文献１では、触媒のＳＯｘ吸着量が一定量を超え且つ排気ガスの温度が一定温度を超えたときに、内燃機関の燃焼室内の混合気の空燃比（以下「機関空燃比」という）を理論空燃比よりもリッチとする。これにより、触媒に流入する排気ガスの空燃比をリッチとし、これによって、触媒に吸着しているＳＯｘをそこから排除するようにしている。

また、特許文献２には、排気通路にＮＯｘ吸収剤を配置した圧縮着火式の内燃機関が開示されている。ここでのＮＯｘ吸収剤は、そこに流入する排気ガスの空燃比がリーンであると排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、一方、そこに流入する排気ガスの空燃比がリッチとなると吸収しているＮＯｘを還元浄化する。そして、このＮＯｘ吸収剤が吸収可能なＮＯｘ量には限界があることから、特許文献２では、ＮＯｘ吸収剤が吸収しているＮＯｘ量がその限界値に達する前に、ＮＯｘ吸収剤に流入する排気ガスの空燃比をリッチとし、これによって、ＮＯｘ吸収剤に吸収されているＮＯｘを還元浄化するようにしている。

特開第３０９２５６９号明細書（段落００８９および００９０） 特許第３４２７７３１号明細書（段落００５６，００５７および００６１） 特許第３４０５１９７号明細書 特許第３１０４６９２号明細書 特許第３１１６８７６号明細書

ところで、内燃機関の出力トルクを増大することが要求されると、燃料噴射弁から燃焼室に噴射される燃料の量（以下「燃料噴射量」という）が増大せしめられる。もちろん、機関空燃比がリッチとされている場合であっても、出力トルクを増大することが要求されると、燃料噴射量は増大せしめられる。そして、この場合、噴射された燃料を全て燃焼させるためには、燃焼室に吸入される空気の量（以下「吸入空気量」という）も増大させる必要がある。しかしながら、燃料噴射量は要求に応じて即座に増大せしめることはできるのであるが、吸入空気量は即座に増大せしめることができない。

特に、特許文献１，２に記載のいわゆる低温燃焼が行われているときには、燃焼室から排出された排気ガスが非常に多量に燃焼室に再循環されており、この場合、吸気通路には多量の排気ガスがある。こうした場合、吸入空気量を増大させようとしてスロットル弁の開度を大きくしたとしても、吸入空気量は即座には増大しない。

ここで、特許文献１，２において、機関空燃比がリーンとされているときには、燃焼室には常に燃料の燃焼に消費される量以上の量の酸素が吸入されている。したがって、この場合には、出力トルクを増大することが要求されたときに、燃料噴射量を増大したとしても、既に、燃焼室には燃焼に必要な量の酸素が吸入されているので、出力トルクを要求に近い形で増大させることができる。

しかしながら、機関空燃比がリッチとされているときには、燃焼室には燃料の燃焼に最低限必要な量の酸素しか吸入されておらず、特許文献１，２では、機関空燃比をリッチとするときには低温燃焼が行われて燃焼室に多量の排気ガスが再循環されていることから吸入空気量は即座には増大しないので、燃料噴射量を増大したとしても、出力トルクを要求に近い形で増大させることができない。

このように、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比とするために機関空燃比がリッチ空燃比とされているときに、内燃機関の出力トルクを増大することが要求されたとしても、要求通りのトルクを内燃機関から出力させることができないことがある。そこで、本発明の目的は、排気ガスの空燃比をリッチ空燃比としているときに、内燃機関の出力トルクを増大することが要求されたとしても、できるだけ要求に近い形で、内燃機関の出力トルクを増大させることにある。

上記課題を解決するために、１番目の発明では、機関排気通路に連結された排気タービンと機関吸気通路内に配置されたコンプレッサとを備える排気ターボチャージャと、機関排気通路内に配置された触媒とを具備する圧縮着火式内燃機関の排気空燃比制御装置において、
触媒によるリッチ要求が生じておらず排気空燃比をリーン空燃比とする第１の運転状態と、触媒によるリッチ要求が生じていて排気空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とする第２の運転状態との間で運転状態を切替可能であり、
上記第２の運転状態では、第１の運転状態に比べて、吸入空気量を低減させること及びＥＧＲ量を増大させることの少なくともいずれか一方によって吸入空気量を低減させると共に、出力トルクを増大させることが要求されていない場合であっても、機関空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチ空燃比とする量の燃料のうち、機関空燃比を理論空燃比とする量の燃料よりも少ない量の燃料を、該燃料が燃焼し且つ該燃料の燃焼により要求されたトルクまたは要求されたトルクよりも少し小さいトルクが発生する第１のタイミングで燃料噴射弁から噴射し、上記機関空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチ空燃比とする量の燃料のうち、残りの量の燃料を、該燃料が燃焼したとしても該燃料の燃焼により予め定められた値以下のトルクしか発生しない第２のタイミングであって上記第１のタイミングよりも遅いタイミングで燃料噴射弁から噴射する。

２番目の発明では、１番目の発明において、上記第１のタイミングが圧縮上死点直前のタイミングまたは膨張行程前半のタイミングであり、上記第２のタイミングが膨張行程後半のタイミングまたは排気行程のタイミングである。

３番目の発明では、２番目の発明において、上記第２のタイミングが燃料が燃焼したとしても該燃料の燃焼によりトルクがほとんど発生しないタイミングである。

４番目の発明では、１〜３番目の発明のいずれか１つにおいて、上記内燃機関が、燃料噴射弁から燃料が噴射されるタイミングが一定であるときに、燃焼室に供給される排気ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第にピークに達し、燃焼室に供給される排気ガスの量をさらに増大していくと煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式の内燃機関であって、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも多い量の排気ガスが燃焼室に供給される第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも少ない量の排気ガスが燃焼室に供給される第２の燃焼とを選択的に行う内燃機関であり、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とすることが要求されたときには、上記第１の燃焼が行われる。

５番目の発明では、１〜４番目の発明のいずれか１つにおいて、上記第１のタイミングで燃料噴射弁から噴射される燃料量に対する燃焼室に吸入される空気量の比が、機関回転数が大きいほどよりリッチな空燃比とされ、要求トルクが大きいほどよりリッチな空燃比とされる。
６番目の発明では、１〜５番目の発明のいずれか１つにおいて、排気空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とする第２の運転状態にあるときに出力トルクを増大させることが要求された場合には、要求に応じてメイン燃料量を増大することで出力トルクを増大させる。
７番目の発明では、１〜６番目の発明のいずれか１つにおいて、上記内燃機関は排気タービンの下流からコンプレッサ上流へ排気ガスを還流させるＥＧＲ通路を更に具備する。

本発明によれば、排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比とされているときに、第１のタイミングで噴射される燃料を燃焼させる分の酸素量よりも多い量の酸素が燃焼室に吸入されている。したがって、このとき、第１のタイミングで噴射される燃料の量が増量されたとしても、この増量せしめられた分の燃料の少なくとも一部を燃焼させることができる。このため、排気ガスの空燃比が理論空燃比またはリッチ空燃比とされているときに、内燃機関の出力トルクを増大することが要求され、これに伴って、第１のタイミングで噴射される燃料の量が増量されたとしても、この増量された分の燃料の少なくとも一部は燃焼するので、できるだけ要求に近い形で、内燃機関の出力トルクを増大させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、４ストローク圧縮着火式内燃機関を示している。図１において、１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は電気制御式の燃料噴射弁、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートを夫々示している。吸気ポート８は、対応する吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結されている。サージタンク１２は、吸気ダクト１３およびインタークーラ１４を介して過給機（例えば、排気ターボチャージャ）１５のコンプレッサ１６の出口部に連結されている。コンプレッサ１６の入口部は、空気吸込管１７を介してエアクリーナ１８に連結されている。空気吸込管１７内には、ステップモータ１９により駆動されるスロットル弁２０が配置されている。また、スロットル弁２０上流の空気吸込管１７内には、吸入空気の質量流量を検出するための質量流量検出器２１が配置されている。

一方、排気ポート１０は、排気マニホルド２２を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン２３の入口部に連結されている。排気タービン２３の出口部は、排気管２４を介して吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（詳細は、後述する）を担持し且つ排気ガス中のパティキュレートを捕集するパティキュレートフィルタ２５を内蔵したケーシング２６に連結されている。ケーシング２６上流の排気マニホルド２２には、空燃比センサ（以下「上流側空燃比センサ」という）２７ａが配置されている。一方、ケーシング２６下流の排気管２８には、空燃比センサ（以下「下流側空燃比センサ」という）２７ｂが配置される。

触媒コンバータ２６の出口部に連結された排気管２８とスロットル弁２０下流で且つコンプレッサ１６上流の空気吸込管１７とは、排気ガス再循環（以下「ＥＧＲ」という）通路２９を介して互いに連結されている。ＥＧＲ通路２９内には、ステップモータ３０によって駆動されるＥＧＲ制御弁３１が配置されている。また、ＥＧＲ通路２９内には、ＥＧＲ通路２９内を流れる排気ガス（以下「ＥＧＲガス」ともいう）を冷却するためのＥＧＲクーラ３２が配置されている。図１に示した例では、機関冷却水がＥＧＲクーラ３２内に導かれ、この機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。

一方、燃料噴射弁６は、燃料供給管３３を介して燃料リザーバ（いわゆる、コモンレール）３４に連結されている。コモンレール３４内へは、電気制御式の吐出量可変な燃料ポンプ３５から燃料が供給される。コモンレール３４内に供給された燃料は、各燃料供給管３３を介して燃料噴射弁６に供給される。コモンレール３４には、コモンレール３４内の燃料圧を検出するための燃料圧センサ３６が取り付けられる。コモンレール３４内の燃料圧が目標燃料圧となるように、燃料圧センサ３６の出力信号に基づいて、燃料ポンプ３５の吐出量が制御される。

電子制御ユニット４０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス４１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）４２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）４３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）４４、入力ポート４５、および、出力ポート４６を具備する。質量流量検出器２１の出力信号は、対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。上流側空燃比センサ２７ａ、下流側空燃比センサ２７ｂ、および、燃料圧センサ３６の出力信号も、夫々対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。アクセルペダル５０には、アクセルペダル５０の踏込量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ５１が接続される。負荷センサ５１の出力電圧は、対応するＡＤ変換器４７を介して入力ポート４５に入力される。また、入力ポート４５には、クランクシャフトが、例えば、３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ５２が接続される。一方、出力ポート４６は、対応する駆動回路４８を介して燃料噴射弁６、スロットル弁制御用ステップモータ１９、ＥＧＲ制御弁制御用ステップモータ３０、および、燃料ポンプ３５に接続される。

ところで、本実施形態のパティキュレートフィルタ２５に担持されている吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ保持剤と、貴金属触媒とからなる。ＮＯｘ保持剤は、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比（以下の説明では、「機関空燃比」という用語と、「排気空燃比」という用語とを使用するが、機関空燃比は、主にトルクを発生させるために燃料噴射弁から噴射された燃料の量を「Ｑｍ」とし、燃焼室内に吸入された空気の量を「Ｇａ」としたときに、Ｇａ／Ｑｍで表される値であり、排気空燃比は、１機関サイクル中に燃料噴射弁から噴射されたトータルの燃料の量を「Ｑ」としたときに、Ｇａ／Ｑで表される値であり、上記排気ガスの空燃比は、この排気空燃比に相当する）が理論空燃比よりもリーンであるときに排気ガス中のＮＯｘを吸収し或いは吸着することによってＮＯｘを保持し、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチとなると、保持しているＮＯｘおよび排気ガス中のＮＯｘを還元浄化する。このＮＯｘ保持剤は、例えば、アルミナを担体とし、この担体上に、アルカリ金属（例えば、カリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ））、アルカリ土類（例えば、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ））、希土類（例えば、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ））から選ばれた少なくとも１つを担持したものである。また、貴金属触媒は、例えば、白金（Ｐｔ）である。

ところで、通常、圧縮着火式の内燃機関において、機関空燃比は理論空燃比よりも大幅にリーンである。したがって、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比もリーンであるので、内燃機関の通常の運転中、ＮＯｘ保持剤には、継続的に新たなＮＯｘが吸収され続け或いは吸着し続ける。このため、ＮＯｘ保持剤に保持されているＮＯｘ量は徐々に多くなる。ところが、ＮＯｘ保持剤が保持可能なＮＯｘの量には限界があることから、ＮＯｘ保持剤が保持しているＮＯｘの量がその限界値に達してしまうと、ＮＯｘ保持剤はもはや新たにＮＯｘを吸収し或いは吸着させることができなくなってしまう。そこで、本実施形態では、ＮＯｘ保持剤が保持しているＮＯｘの量がその限界値に達したとき（あるいは、限界値に達する前）に、ＮＯｘ保持剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはそれよりもリッチとする。これによれば、ＮＯｘ保持剤は、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）を還元剤として、保持しているＮＯｘを還元浄化する。
このことを図２を参照して説明する。図２において、横軸のｔは時間であり、縦軸のＡｎｏｘはＮＯｘ保持剤が保持しているＮＯｘの量であり、縦軸のＡ／Ｆｅはパティキュレートフィルタに流入する排気ガスの空燃比であり、ＡｎｏｘＬはＮＯｘ保持剤が保持可能なＮＯｘの量の限界値であり、ストイキは理論空燃比である。

時刻がｔ１に達する前は、ＮＯｘ保持量Ａｎｏｘは徐々に増大してゆく。この間、ＮＯｘ保持剤に流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆｅはリーンとなっている。そして、時刻がｔ１に達したときに、ＮＯｘ保持量Ａｎｏｘはその限界値ＡｎｏｘＬに達する。このとき、排気空燃比Ａ／Ｆｅがリッチとされる。これにより、ＮＯｘ保持量Ａｎｏｘは一気に低下し、略零となる。

次に、パティキュレートフィルタ２５に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにする方法について説明する。まず、考えられうる方法としては、排気空燃比を理論空燃比またはリッチにすることが要求されたとき（以下「リッチ要求時」ともいう）に、スロットル開度およびＥＧＲ開度をリッチ要求時ではないとき（以下「非リッチ要求時」ともいう）と同様にして決定される開度とし、このときの吸入空気量を考慮して機関空燃比が理論空燃比または要求通りのリッチとなるように燃料噴射弁６から噴射される燃料の量（以下単に「燃料噴射量」ともいう）を増量するという方法が挙げられる。

ところが、上述したように、圧縮着火式の内燃機関の通常の運転中は、機関空燃比は大幅にリーンとなっていることから、この方法を採用すると、リッチ要求時には、燃料噴射量を大幅に多くする必要がある。しかしながら、このように燃料噴射量を大幅に増大すると、内燃機関の出力トルクが要求トルクを大幅に超えてしまうし、燃費も低下してしまう。

そこで、別の方法として、以下のようなものが考えられる。すなわち、リッチ要求時に機関空燃比を理論空燃比とする場合、燃料噴射量を非リッチ要求時と同様にして決定される量（これは、要求トルクを発生させるだけの燃料量である）とし、リッチ要求時に機関空燃比を理論空燃比よりもリッチとする場合、燃料噴射量を非リッチ要求時と同様にして決定される量よりも若干多くする。そして、このときの燃料噴射量を考慮して機関空燃比が理論空燃比または要求通りのリッチとなるようにスロットル開度を小さくしたりＥＧＲ開度を大きくしたりして吸入空気量を少なくする。これによれば、機関空燃比を理論空燃比とする場合、燃料噴射量が非リッチ要求時の量と同じであるので、出力トルクが要求トルクを超えてしまうことはなく、また、燃費が低下することもない。また、機関空燃比をリッチとする場合、燃料噴射量は非リッチ要求時の量よりも増量されるが、その増量分は僅かであり、出力トルクが要求トルクを大幅に超えてしまうこともなく、燃費の低下も小さく抑えられる。

ところが、この２つ目の方法にも不具合がある。この方法によると、排気空燃比を理論空燃比にする場合、燃焼室５には、全ての燃料を燃焼させる分の量の酸素を含んだ量の空気しか吸入されず、また、排気空燃比を要求通りのリッチとする場合、燃焼室５には、全ての燃料を燃焼させる量よりも少ない量の酸素を含んだ量の空気しか吸入されないことになる。したがって、いずれの場合にも、燃料の燃焼後に燃焼に消費されずに燃焼室５に残る酸素は、理論上、全くないことになる。こうした状況下で、出力トルクを増大することが要求された場合、出力トルクを要求通りに増大させるためには、要求に応じて、吸入空気量を増量すると共に、燃料噴射量も増量しなければならないが、燃料噴射量は即座にでも増量可能であるが、吸入空気量は即座には増量させることができない。

すなわち、吸入空気量を増大するためにスロットル開度を大きくしたりＥＧＲ開度を小さくしたりしても、吸入空気量は即座には多くならない。したがって、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとしているとき（以下「リッチ制御中」ともいう）に、出力トルクを増大することが要求され、燃料噴射量を増大すると共に、スロットル開度を大きくし或いはＥＧＲ開度を小さくしたとしても、出力トルクは即座には要求トルクまで増大しないことになる。

一方、リッチ制御中において、燃料の燃焼後に燃焼室５内に酸素が残るようになっていれば、このときに出力トルクを増大することが要求されて燃料噴射量を増大すると、燃焼室内で燃焼する燃料の量が即座に多くなる。したがって、この場合には、より要求に近い形で、出力トルクを増大させることができる。ところが、上述した２つ目の方法によると、リッチ制御中に燃料の燃焼後に燃焼室５内に残る酸素は、理論上、全くない。このように、２つ目の方法でも、リッチ制御中に出力トルクを増大することが要求された場合、要求通りには、出力トルクを増大させることができない。

そこで、本発明の実施形態では、リッチ要求時には、以下のような制御を行う。そもそも、上述した実施形態において、機関空燃比を理論空燃比またはリッチとすることが要求されるのは、ＮＯｘ保持剤（パティキュレートフィルタ）に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチとする必要があるからである。したがって、リッチ要求時には、排気ガスがＮＯｘ保持剤に流入するときに、その空燃比が理論空燃比または要求通りのリッチとなっていればよいのであって、必ずしも、機関空燃比が理論空燃比または要求通りのリッチとなっていなければならないことを意味するのではない。そして、リッチ制御中に出力トルクを増大することが要求された場合に、できるだけ要求に近い形で出力トルクを増大させるためには、リッチ制御中においても吸入空気量が燃料の燃焼に最大に消費される量の酸素を含んだ空気量よりも多ければよい。すなわち、リッチ制御中において、燃料の燃焼に消費されずに燃焼室５内に酸素が残っていればよい。

そこで、本実施形態では、排気空燃比を理論空燃比またはリッチとすることが要求されたときには、まず、吸入空気量を非リッチ要求時に比べて大幅に少なくするが、後述するメイン噴射により噴射された燃料の燃焼後に燃焼室５内に酸素が残るような量とする。言い換えれば、吸入空気量を非リッチ要求時に比べて大幅に少なくするが、機関空燃比がリーンとなるような量とする。そして、要求トルクを発生させるだけの量の燃料（すなわち、非リッチ要求時に設定される量と同じ量の燃料）を、該燃料の燃焼によってトルクが発生するタイミング（例えば、圧縮上死点近傍のタイミング）で燃料噴射弁６から噴射する（この噴射を「メイン噴射」という）。これによれば、メイン噴射により噴射された燃料（以下「メイン燃料」という）はほとんど全て燃焼してトルクを生み出すと共に、メイン燃料の燃焼が完了したときには、燃焼室５内に酸素が残っていることになる。

さらに、本実施形態では、メイン燃料の燃焼が完了したときに燃焼室５内に残っている酸素量を推定し、この推定された酸素量に基づいて、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとすることができる量の燃料を、該燃料の燃焼によってトルクがほとんど発生しないタイミングまたはトルクが全く発生しないタイミング（例えば、膨張行程後半のタイミングまたは排気行程中のタイミング）で燃料噴射弁６から噴射する（以下この噴射を「ポスト噴射」という）。

このように、本実施形態によれば、リッチ要求時に、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとすると共に、要求トルクを出力し、さらには、リッチ制御中に出力トルクを増大することが要求されたとしても、要求に応じてメイン燃料量を増大すれば、より要求に近い形で、即座に、出力トルクを増大させることができる。

なお、リッチ要求時に吸入空気量を非リッチ要求時に比べて大幅に少なくするには、スロットル開度を非リッチ要求時に比べて大幅に小さくすると共にＥＧＲ開度を非リッチ要求時に比べて大幅に大きくすればよい。もちろん、ＥＧＲ開度を非リッチ要求時と同じ開度としつつスロットル開度を非リッチ要求時に比べて大幅に小さくすることによって、吸入空気量を非リッチ要求時に比べて少なくしてもよいし、スロットル開度を非リッチ要求時と同じ開度としつつＥＧＲ開度を非リッチ要求時に比べて大幅に大きくすることによって、吸入空気量を非リッチ要求時に比べて少なくしてもよい。

こうしたリッチ制御を図３を参照して説明する。図３において、ＳＴはスロットル開度、ＳＥはＥＧＲ開度、Ｑｍはメイン燃料量、Ｑｐはポスト燃料量、Ａ／Ｆは機関空燃比、Ａ／Ｆｅは排気空燃比である。図３に示した例では、時刻ｔ０以前は、排気空燃比を理論空燃比またはリッチとすることは要求されておらず、時刻ｔ０において、排気空燃比を理論空燃比またはリッチとすることが要求される。時刻ｔ０以前は、非リッチ要求時であるので、ポスト噴射は行われておらず、ポスト燃料量Ｑｐは零であり、機関空燃比Ａ／Ｆは大きくリーンとなっている。

ここで、時刻ｔ０において、リッチ要求時となると、スロットル開度ＳＴが大幅に小さくされると共に、ＥＧＲ開度ＳＥが大幅に大きくされる。そして、メイン噴射とポスト噴射とが行われる。このとき、機関空燃比Ａ／Ｆは一気に小さくなって理論空燃比に近いリーンとなる。一方、排気空燃比Ａ／Ｆｅは一気に小さくなって理論空燃比となる。

ところで、上述したように、リッチ要求時に、スロットル開度を小さくし、あるいは、ＥＧＲ開度を大きくすると、ＥＧＲ率（これは、吸入空気量とＥＧＲガス量との和に対するＥＧＲガス量の比に相当する）は大きくなる。リッチ要求時に、できるだけ少ない量の燃料で、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとするためには、吸入空気量をできるだけ少なくすることが好ましい。そして、このことを達成しようとすると、ＥＧＲ率は大きくなる傾向にある。すなわち、一般的に、ＥＧＲ率を大きくしたほうが、より少ない量の燃料で、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとすることができると言える。ところが、ＥＧＲ率が大きくなると、燃焼室５内にて発生する煤の量が多くなることが知られている。

したがって、煤の発生量を許容量以下に抑えるためには、リッチ要求時に上述したようにスロットル開度を小さくし或いはＥＧＲ開度を大きくする場合においても、ＥＧＲ率を煤の発生量が許容量を超えてしまわないようなＥＧＲ率に維持しておくことが好ましい。なお、この場合、予混合圧縮着火燃焼（これは、メイン燃料が噴射される前に吸気行程中に少量の燃料を噴射して極めてリーンな予混合気を形成した上で燃料を燃焼させるものである）を行うようにしてもよい。

また、特許文献５にも開示されているように、図４に示したように、要求トルクが小さいときに、燃料噴射弁６から燃料を噴射するタイミングを一定とし、ＥＧＲガス量を増大していくと、煤の発生量が次第に増大してピークに達した後に急激に低下し、煤がほとんど発生しなくなることが知られている。すなわち、ＥＧＲ率を増大することによって機関空燃比Ａ／Ｆを小さくしていくと、ＥＧＲ率が４０パーセント付近となって機関空燃比Ａ／Ｆが３０程度になると、煤の発生量が増大し始める。ＥＧＲ率をさらに増大することによって機関空燃比Ａ／Ｆをさらに小さくすると、煤の発生量が急激に増大してピークに達する。ＥＧＲ率をさらに増大することによって機関空燃比Ａ／Ｆをさらに小さくすると、今度は、煤の発生量が急激に低下し、ＥＧＲ率が６５パーセント以上となって機関空燃比Ａ／Ｆが１５．０付近になると、煤の発生量がほぼ零となることが知られている。したがって、ＥＧＲ率を６５パーセント以上とすれば、煤をほとんど発生させずに、機関運転を行うことができる。

上述した内燃機関がこうした内燃機関である場合、リッチ要求時に、燃焼室に供給されるＥＧＲガスの量を煤の発生量がピークとなる量よりも多くすると共に、上述したように、メイン噴射とポスト噴射とを行って排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとするようにしてもよい。これによれば、リッチ制御中において、煤の発生を抑制しつつ、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとすることができる。

なお、上述した実施形態において、ＥＧＲガス量が煤の発生量がピークとなる量よりも多くした燃焼（以下「低温燃焼」という）が行われる場合、あるいは、ＥＧＲガス量が煤の発生量がピークとなる量よりも少ないが通常よりも大幅に多い予混合圧縮着火燃焼が行われる場合、目標機関空燃比Ａ／Ｆは、図５に示したような機関回転数Ｎと要求トルクＴとの関数のマップでもって予めＲＯＭ４２に記憶されている。そして、低温燃焼（あるいは、ＥＧＲ率が比較的大きくされた予混合圧縮着火燃焼）が行われるときには、目標機関空燃比Ａ／Ｆは、理論空燃比よりもリーンであって（もちろん、通常燃焼が行われるときよりもずっと理論空燃比に近いリーンである）、図５に示したマップでは、機関回転数Ｎが大きくなるほどリーン度合が小さくなり（すなわち、リッチ度合が大きくなり、より理論空燃比に近くなる）、要求トルクＴが大きくなるほどリーン度合が小さくなる（すなわち、リッチ度合が大きくなり、より理論空燃比に近くなる）。そして、上述した実施形態において、リッチ要求時には、低温燃焼（あるいは、ＥＧＲ率が比較的大きくされた予混合圧縮着火燃焼）が行われるのであるから、このときの目標機関空燃比Ａ／Ｆも図５のマップに基づいて設定される。

なお、機関回転数Ｎが小さいほど、単位時間当たりに燃焼室５に吸入されるガス量は少ない。したがって、機関回転数Ｎが小さいと、スロットル開度を大きくし或いはＥＧＲ開度を小さくしてから、吸入空気量が多くなるまでにかかる時間が長い。このため、機関回転数Ｎが小さい場合に、要求に近い形で出力トルクを増大させるには、機関空燃比をよりリーンにしておくことが望ましい。そこで、リッチ要求時において、低温燃焼（あるいは、ＥＧＲ率が比較的大きくされた予混合圧縮着火燃焼）を行う場合、図５のマップから設定される目標機関空燃比よりも、機関回転数Ｎが小さいほどリーンとすることにも利点がある。

また、低温燃焼（あるいは、ＥＧＲ率が比較的大きくされた予混合圧縮着火燃焼）が行われる場合、同じ機関空燃比であっても、一般的に、燃料の燃焼に消費されずに燃焼室内に残る酸素の絶対量は要求トルクが大きいほど多い。逆に言えば、このとき燃料の燃焼に消費されずに燃焼室内に残る酸素の絶対量は要求トルクが小さいほど少ない。したがって、要求に近い形で出力トルクを増大させるには、要求トルクが小さいほど、機関空燃比をよりリーンにしておくことが望ましい。そこで、リッチ要求時において、低温燃焼（あるいは、ＥＧＲ率が比較的大きくされた予混合圧縮着火燃焼）を行う場合、図５のマップから設定される目標機関空燃比よりも、要求トルクが小さいほどリーンとすることにも利点がある。

図６は、上述した実施形態に従った内燃機関の制御ルーチンの一例を示している。この例では、始めに、ステップ１０において、リッチ要求フラグＦｒｉｃｈがリセットされている（Ｆｒｉｃｈ＝０）か否かが判別される。このフラグＦｒｉｃｈは、リッチ要求時にセットされ、通常時にリセットされるフラグである。ステップ１０において、Ｆｒｉｃｈ＝０であると判別されたときには、ルーチンはステップ１１に進んで、通常時の目標機関空燃比Ａ／Ｆが決定される。次いで、この決定された目標機関空燃比Ａ／Ｆが達成されるように、ステップ１２において、通常時の目標スロットル開度ＳＴ、通常時の目標ＥＧＲ開度ＳＥ、および、通常時の目標メイン燃料量Ｑｍが決定される。そして、ステップ１３において、機関制御Ｉが実行される。機関制御Ｉでは、スロットル開度が目標スロットル開度ＳＴとなり、且つ、ＥＧＲ開度が目標ＥＧＲ開度ＳＥとなり、且つ、メイン燃料量が目標燃料噴射量Ｑｍとなるように、スロットル弁２０、ＥＧＲ制御弁３１、および、燃料噴射弁６が作動せしめられる。

一方、ステップ１０において、Ｆｒｉｃｈ＝１であると判別されたときには、ルーチンはステップ１４に進んで、運転領域フラグＦｄがセットされている（Ｆｄ＝１）か否かが判別される。このフラグＦｄは、低温燃焼が行われているときにはセットされ、通常の燃焼が行われているときにはリセットされるフラグである。ステップ１４において、Ｆｄ＝１であると判別されたときには、ルーチンはステップ１５に進んで、リッチ要求時の目標機関空燃比Ａ／Ｆが決定される。次いで、この決定された目標機関空燃比Ａ／Ｆが達成されるように、ステップ１６において、リッチ要求時の目標スロットル開度ＳＴ、リッチ要求時の目標ＥＧＲ開度ＳＥ、および、リッチ要求時の目標メイン燃料量Ｑｍが決定される。

さらに、ステップ１７において、目標排気空燃比Ａ／Ｆｅが決定される。次いで、この決定された目標排気空燃比Ａ／Ｆｅが達成されるように、ステップ１８において、目標ポスト燃料量Ｑｐが決定される。そして、ステップ１９において、機関制御ＩＩが実行される。機関制御ＩＩでは、スロットル開度が目標スロットル開度ＳＴとなり、且つ、ＥＧＲ開度が目標ＥＧＲ開度ＳＥとなり、且つ、メイン燃料量が目標メイン燃料量Ｑｍとなり、且つ、ポスト燃料量が目標ポスト燃料量Ｑｐとなるように、スロットル弁２０、ＥＧＲ制御弁３１，および、燃料噴射弁６が作動せしめられる。

なお、上述では、ＮＯｘ保持剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることが要求された場合において、ＮＯｘ保持剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチにする方法について説明したが、一般的に、本発明は、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチにすることが要求された場合において、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチにする場合にも適用可能である。

また、上述した実施形態では、燃料噴射弁６からの燃料噴射量を制御することによって、排気空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチとしているが、例えば、触媒２５上流の排気通路に燃料を噴射する第２の燃料噴射弁を取り付け、ポスト噴射によって燃料を噴射する代わりに、この第２の燃料噴射弁から燃料を噴射することによって、ＮＯｘ保持剤に流入する排気ガスの空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチにする場合にも、本発明は適用可能である。

また、上述した実施形態では、ポスト噴射は、ポスト燃料が燃焼せず、トルクの発生に寄与しないタイミングで行われることから、メイン燃料の燃焼のみによって要求トルクを発生させるようにしている。しかしながら、メイン噴射を、メイン燃料が燃焼して要求トルクよりも少し小さいトルクが発生するタイミングで行い、ポスト噴射を、ポスト燃料の一部が燃焼してトルクが発生するタイミングで行い、メイン燃料の燃焼とポスト燃料の燃焼とによって、トータルとして、要求されたトルクが発生するようにしてもよい。

本発明の排気空燃比制御装置を備えた内燃機関全体を示す図である。 ＮＯｘの還元浄化を説明するための図である。 本発明の実施形態に従ったリッチ制御におけるスロットル開度等の制御の一例を示す図である。 空燃比Ａ／Ｆとスロットル開度等の関係を示す図である。 リッチ制御において目標機関空燃比を決定するために用いられるマップを示す図である。 本発明の実施形態に従った内燃機関の制御ルーチンの一例を示す図である。

符号の説明

１…機関本体
５…燃焼室
６…燃料噴射弁
２０…スロットル弁
２５…パティキュレートフィルタ（触媒）
３１…ＥＧＲ制御弁

Claims (7)

1. 機関排気通路に連結された排気タービンと機関吸気通路内に配置されたコンプレッサとを備える排気ターボチャージャと、機関排気通路内に配置された触媒とを具備する圧縮着火式内燃機関の排気空燃比制御装置において、
   触媒によるリッチ要求が生じておらず排気空燃比をリーン空燃比とする第１の運転状態と、触媒によるリッチ要求が生じていて排気空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とする第２の運転状態との間で運転状態を切替可能であり、
   上記第２の運転状態では、第１の運転状態に比べて、吸入空気量を低減させること及びＥＧＲ量を増大させることの少なくともいずれか一方によって吸入空気量を低減させると共に、出力トルクを増大させることが要求されていない場合であっても、機関空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチ空燃比とする量の燃料のうち、機関空燃比を理論空燃比とする量の燃料よりも少ない量の燃料を、該燃料が燃焼し且つ該燃料の燃焼により要求されたトルクまたは要求されたトルクよりも少し小さいトルクが発生する第１のタイミングで燃料噴射弁から噴射し、上記機関空燃比を理論空燃比または要求通りのリッチ空燃比とする量の燃料のうち、残りの量の燃料を、該燃料が燃焼したとしても該燃料の燃焼により予め定められた値以下のトルクしか発生しない第２のタイミングであって上記第１のタイミングよりも遅いタイミングで燃料噴射弁から噴射することを特徴とする排気空燃比制御装置。
2. 上記第１のタイミングが圧縮上死点直前のタイミングまたは膨張行程前半のタイミングであり、上記第２のタイミングが膨張行程後半のタイミングまたは排気行程のタイミングであることを特徴とする請求項１に記載の排気空燃比制御装置。
3. 上記第２のタイミングが燃料が燃焼したとしても該燃料の燃焼によりトルクがほとんど発生しないタイミングであることを特徴とする請求項２に記載の排気空燃比制御装置。
4. 上記内燃機関が、燃料噴射弁から燃料が噴射されるタイミングが一定であるときに、燃焼室に供給される排気ガスの量を増大していくと煤の発生量が次第にピークに達し、燃焼室に供給される排気ガスの量をさらに増大していくと煤がほとんど発生しなくなる圧縮着火式の内燃機関であって、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも多い量の排気ガスが燃焼室に供給される第１の燃焼と、煤の発生量がピークとなる排気ガス量よりも少ない量の排気ガスが燃焼室に供給される第２の燃焼とを選択的に行う内燃機関であり、燃焼室から排出される排気ガスの空燃比を理論空燃比またはリッチ空燃比とすることが要求されたときには、上記第１の燃焼が行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の排気空燃比制御装置。
5. 上記第１のタイミングで燃料噴射弁から噴射される燃料量に対する燃焼室に吸入される空気量の比が、機関回転数が大きいほどよりリッチな空燃比とされ、要求トルクが大きいほどよりリッチな空燃比とされることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の排気空燃比制御装置。
6. 排気空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比とする第２の運転状態にあるときに出力トルクを増大させることが要求された場合には、要求に応じてメイン燃料量を増大することで出力トルクを増大させることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の排気空燃比制御装置。
7. 上記内燃機関は排気タービンの下流からコンプレッサ上流へ排気ガスを還流させるＥＧＲ通路を更に具備することを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の排気空燃比制御装置。

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